DE2260959C3 - Kontinuierlich regelnder Thermostat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kontinuierlich regelnden Thermostaten mit einer Brückenschaltung, welche einerseits einen Temperaturfühler und wenigstens einen Widerstand für die Vorgabe eines Temperatur-Sollwertes, andererseits in Serie und in Sperrichtung zur Versorgungsspannung geschaltete Diodenstrecken als Brückenzweige enthält, sowie mit zwei zueinander komplementären Transistoren zur Verstärkung der Spannung der quer zur Versorgungsspannung liegenden Meßdiagonale, von denen der erste Transistor mit seiner Basis-Emitter-Strecke in der Meßdiagonalen liegt und der zweite Transistor als Emitterfolger geschaltet ist, dessen Emitter mit einem Anschluß der Versorgungsspannung verbunden ist

Ein derartiger Thermostat ist z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift 15 23 384 bekannt Wie F i g. 1 zeigt, wird dabei die der Temperaturerfassung dienende Brückenschaltung von einer Versorgungsspannung U über einen Vorwiderstand R 5 gespeist Die Zweige der Brückenschaltung werden einerseits aus dem Temperaturfühler K, der ein Kaltleiter ist und dem ohmschen Widerstand Rx, durch den ein Sollwert vorgegeben wird und andererseits aus den beiden Zenerdioden Zi, Z2 gebildet. Dabei sorgen die in Sperrichtung zur Versorgungsspannung U eingeschalteten Zenerdioden Zl, Z2 in Verbindung mit dem Vorwiderstand R 5 dafür, daß am Diagonalpunkt 3 und am Anschlußpunkt 4 der Brückenschaltung definierte Spannungen vorliegen. Ferner ist ein Transistor Tt, der die erste Stufe eines Regelverstärkers darstellt, mit seiner Basis-Emitter- -. Strecke zwischen die Diagonalpunkte 3, 5 der Brückenschaltung eingeschaltet Dieser Transistor Ti wird damit gemäß der in der Meßdiagonalen der Brücke auftretenden Spannung, die ein Maß für die Abweichung der Ist-Temperatur von der Soll-Temperatur ist,

ίο angesteuert und steuert seinerseits über seinen Kollektorstrom Jk nachfolgende Verstärkerstufen und damit die Heizung des Thermostaten. Auf diese Weise erhält 'man eine feinfühlige Temperaturregelschaltung, wobei jed">ch zu berücksichtigen ist, daß sich der Temperatur-

is gang des Transistors Ti auf das Regelverhalten der gesamten Schaltungsanordnung auswirkt. Darüber hinaus verbleibt auch eine gewisse Betriebsspannungsabhängigkeit, da sich die Diagonalspannung der Brückenschaltung selbst bei vollkommen gleichen

Zenerdioden Zl, Z2 bei einer Änderung der Betriebsspannung ί/infolge des differentiellen Widerstandes der Zenerdioden ebenfalls verändert

Aus der DE-OS 17 73 033 ist eine weitere Regelschaltung für Thermostate bekannt, bei der die Eingangsstufe

2s des Verstärkers als Brückenschaltung, von der zwei Zweige aus Zenerdic-den und zwei Zweige aus ohmschen Widerständen bestehen, ausgebildet ist Bei dieser Anordnung liegt jedoch der zweite Transistor nicht in der Meßdiagonalen der Brücke, sondern ist dem

ίο ersten Transistor nachgeschaltet Lediglich die Steuerspannung für den zweiten Transistor wird in der Brückendiagonalen gewonnen. Bei dieser Anordnung tritt daher das Problem, daß sich der Temperaturgang des zweiten Transistors auf das Regelverhalten der

Vi gesamten Schaltungsanordnung auswirkt, nicht auf. Mit dieser Regelschaltung sollen vielmehr Schaltknacke mit Hilfe einer hinreichend großen Verstärkung des Regelverstärkers sowie der Totzeit &'.r Regelstrecke vermieden werden.

4<> Aus dem Buch »Elektronik ohne Ballast« von O. Limann, insbesondere Seite 95, ist es außerdem bereits bekannt, Komplementärtransistoren mit Vorteil dort einzusetzen, wo mehrere Transistorstufen direkt aufeinander folgen.

4.S Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Thermostaten der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Regelverhalten vom Temperaturgang eines in der Meßbrücke verwendeten Transistors sowie von Betriebsspannungsschwankungen im wesentlichen un beeinträchtigt bleibt und der trotzdem unkompliziert im Aufbau ist

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der zweite Transistor mit seiner Emitter-Basis-Strecke in Serie zur Basis-Emitter-Strecke des ersten

s.s Transistors in die Meßdiagonale eingeschaltet und emitterseitig mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist.

Durch diese Maßnahmen erhält man einen Thermostaten, bei dem der verbleibende Temperaturkoeffizient

(><> der Regelschaltung auf ein vernachlässigbares Maß reduziert ist. Da sich die Emitter-Basis-Spannungen der beiden in der Meßdiagonale der Brückenschaltung liegenden, zueinander komplementären Transistoren voneinander subtrahieren, erreicht man den weiteren

<>-> Vorteil, daß die in der Meßdiagonale auftretende Spannung bei entsprechend hoher Verstärkung des Regelverstärkers fast vollständig verschwindet. Damit wird zugleich eine Beeinträchtigung des Regelverhai-

tens durch eine evtl. vorhandene Betriebsspannungsschwankung vermieden. Ferner ist vorteilhaft, daß der Steuerstrombedarf für den in die Meßdiagonale der Brückenschaltung eingeschalteten Transistorverstärker durch die Verwendung des zusätzlichen Transistors gegenüber der bekannten Anordnung wesentlich verringert ist

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zwischen die Basiselektrode des zweiten Transistors und einen Diagonalpunkt der quer zur m Versorgungsspannung liegenden Diagonale der Briikkenschaltung ein weiterer ohmscher Widerstand eingeschaltet ist

Wenn man in dieser Art verfährt, erreicht man, daß der resultierende Innen widerstand der Brückenschal- is tung weitgehend vom Abgleichzustand unabhängig ist. Insbesondere bei gegengekoppelten Thermostaten, bei denen eine Wechselspannungsgegenkopplung über einen Koppelkondensator in die Basis des weiteren Transistoi-s zur Erreichung der dynamischen Stabilität erfolgt ist somit gewährleistet, daß der beabsichtigte Gegenkopplungsgrad in jedem Falle erhalten bleibt Damit wird auf einfache Weise ein vom Abgleichzustand der Brückenschaltung unabhängiges dynamisches Regelverhalten erzielt

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der erste Transistor ein pnp-Transistor und der zweite Transistor ein npn-Transistor ist und daß die Emitterelektrode des zweiten Transistors über den ohmschen Widerstand mit dem negativen Pol der Versorgungsspannung verbunden ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Im einzelnen zeigt

F i g. 2 eine Brückenschaltung für einen kontinuierlich regelnden Thermostat, in deren Meßdiagonale als erster Transistor ein pnp-Transistor und als zusätzlicher Transistor ein npn-Transistor eingeschaltet ist, und

F i g. 3 einen Thermostat, bei dem die in F i g. 2 dargestellte Brückenschaltung verwendet ist.

Die in Fig.2 gezeigte Brückenschaltung enthält einen Kaltleiter als Temperaturfühler K und einen Widerstand Rx für die Vorgabe eines Temperatursollwertes sowie in Serie zueinander und in Sperrichtung zur Versorgungsspannung U geschaltete Zenerdioden Zi, Z 2, die über einen derart bemessenen Widerstand R5 gespeist werden, daß am Diagonalpunkt 3 und am Anschlußpunkt 4 der Brückenschaltung konstante Spannungen vorliegen. In die durch die Diagonalpunkte 3, 5 gebildete Meßdiagonale der Brückenschaltung ist zusätzlich zui.i ersten Transisior Ti, der ein pnp-Transistor ist, ein zu diesem komplementärer Transistor 7*6 mit seiner Baiss-Emitter-Strecke in Serie zur Basis-Emitter-Strecke des erstgenannten Transistors 7*1 eingeschaltet. Die mit der Basiselektrode des ersten 5$ Transistors Tl verbundene Emitterelektrode des zusätzlichen Transistors T6 ist ferner über einen ohmschen Widerstand R U am Anschlußpunkt 4 an die stabilisierte Versorgungsspannung der Brückenschaltung gelegt. Die Kollektorelektrode des zusätzlichen Transistors T6 ist unmittelbar mit dem Pluspol der Versorgungsspannung U verbunden. Außerdem ist zwischen die Basiselektrode des zusätzlichen Transistors T6 und den Diagonalpunkt 5 ein weiterer ohmscher Widerstand R 10 eingeschaltet. (>s

Mit der in Fig. 2 t"^:;Zeig^ten Brückenschalt jng erreicht man durch die Verwendung des zusätzlichen Transistors T6, der als Emitterfolger geschaltet ist, zunächst gegenüber der in Fig.) dargestellten Anordnung eine erhebliche Verringerung der Abhängigkeit der Thermostatentemperatur von Betriebsspannungsschwankungen. Eine derartige Abhängigkeit tritt bei der Anordnung nach F i g. 1 sogar bei Verwendung vollkommen gleicher Zenerdioden ZI₁Z2 noch auf, da sich dort die Diagonalspannung der Brückenschaltung bei einer Änderung der Betriebsspannung wegen des differentiellen Widerstandes der Zenerdioden Zl, ZI ändert. Darüber hinaus ergibt sich bei Verwendung der in Fig.2 gezeigten Brückenschaltung der weitere Vorteil, daß der verbleibende Temperaturkoeffizient der Regelschaltung infolge der gegenläufigen Temperaturgänge der Transistoren Ti, T6 wesentlich reduziert wird. Während des weiteren bei der Ausführung nach F i g. 1 eine definierte Diagonalspannung von ca. 0,6 V erforderlich ist damit der Transistor Ti durehgesteuert wird, wird die Diagonalspannung der Brückenschaltung nach F i g. 2 im wesentlichen vollkomrr.en, also bis auf 0 V ausgeregelt da sich die Emitter-Basis-Spannungen der beiden Transistoren 7*1, 7*6 voneinander subtrahieren. Zugleich wird auf diese Weise der schädliche Einfluß des Temperaturganges der Diagonalspannung der Briickenschaitung auf das Regelverhalten des Thermostaten vermieden. Ferner ist bei der in F i g. 2 gezeigten Brückenschaltung vorteilhaft daß wegen der Stromverstärkung des zusätzlichen Transistors 7*6 nur ein äußerst geringer Steuerstrom für die in der MeBdiagonale liegenden verstärkenden Eelemente erforderlich ist Durch den weiteren, der Basiselektrode des zusätzlichen Transistors T6 vorgeschalteten Widerstand R10, dessen Widerstandswert beispielsweise 30 kH beträgt, erreicht man darüber hinaus, daß der resultierende Innenwiderstand der Brückenschaltung vom Abgleichzustand weitgehend unabhängig ist

Fig.3 zeigt einen Thermostaten, bei dem die in F i g. 2 dargestellte Brückenschaltung verwendet ist Außerdem enthält dieser Thermostat einen mit den Transistoren 7*2, 73, 7*4, T5 aufgebauten Regelverstärker. Die aus den Transistoren Ti, 7*6 gebildete Eingangsstufe des Verstärkers steuert über einen Vorwiderstand R 4 einen zweiten Transistor 7*2, der mit einem als Heizwiderstand dienenden Endstufentransistor T3 in Darlingtonschaltung aufgebaut ist Dabei ist zwischen die Emitterleketrode des Endstufentransistors T3 und den Anschluß 2 der Versorgungsspannung Uein ohmscher Gegenkopplungswiderstand R i eingefügt Die Gehäuse der Transistoren 7*2, 7*3 sind ferner mit gutem Wärmekontakt in eine metallische Platte 6 eingesetzt, die beispielsweise einen Teil des Thermostatengehäuses bildet und die mit dem als Temperaturfühler dienenden Kaltleiter K thermisch kontaktiert ist

Üie Emitterelektrode des zweiten Transistors T2 ist einerseits über einen ohmschen Widerstand Ä'mit der Emitterleketrode des Endstufentransistors andererseits über einen ohmschen Nebenschlußwiderstand R mit seiner Basiselektrode verbunden. Der Nebenschlußwiderstand R ist so bemessen, daß der über ihn fließende Strom groß gegenüber dem Basisstrom des zweiten Transistors T2 ist. Die Brückenschaltung wird derart betrieben, daß der erste Transistor Ti und der zusätzliche Transistor 7*6 beim Vorliegen des Temperatursollwertes noch fast vollständig ausgesteuert bleiben. Der Kollektorstrom des ersien Transistors Ti sinkt somit beim Erreichen des Temperatursollwertes nur geringfügig, wobei der Spannungsabfall am Nebenschlußwiderstand R die Schwellenspannung der Basis-Emitter-Diode des zweiten Transistors 7*2 unterschrei-

tet. Damit wird der zweite Transistor T2 gesperrt. Hierdurch erhält man mit einer geringen Anzahl von Transistoren eine hohe Gesamtverstärkung und damit große Regelgenauigkeit.

Ferner ist zwischen die Emitterelektrode des Endstufentransistors 7"3 und den Anschluß 2 der Versorgungsspannung t/ein ohmscher Widerstand R 1 eingefügt, der parallel zur Basis-Emitter-Strecke eines weiteren Transistors T 4 liegt, dessen Basiselektrode mit der Emitterelektrode des Endstufentransistors T3 verbunden ist. Die Kollekte.elektrode des weiteren Transistors TA ist zur Basiselektrode des dem Endstufentransistors T3 in Darlingtonschaltung vorgeschalteten Transistors 7'2 geführt.

Durch diese Maßnahmen erreicht man, daß Streuungen des Einschaltstromes, die auf unvermeidbaren exemplarischen Streuungen der Eigenschaften der verwendeten Transistoren beruhen, weitgehend vermieden werden. Hierzu wird am Widerstand R 1 ein dem Heizstrom proportionaler Spannungsabfall gewonnen, mit dem der weitere Transistor TA gesteuert wird. Beim Oberschreiten der Schwellenspannung der Basis-Emitter-Diode des Transistors TA wird dieser leitend, wodurch die Spannung an der Basis des Transistors Tl sinkt und der über den Endstufentransistor 7"3 fließende Heizstrom begrenzt wird. Eine zusätzliche Begrenzung des Einschaltstromes des Thermostaten wird durch den Vorwiderstand R A bewirkt.

Zur Erzielung absoluter Stabilität und fast aperiodischen Einschwingverhaltens bei unverändert hoher statischer Regelsteilheit ist ein dritter in Basisschaltung betriebener Transistor 7"5 vorgesehen, dessen Basiselektrode an eine Referenzspannungsquelle angeschaltet ist. dessen Kollektorelektrode einerseits über einen hochohmigen Widerstand R 9 mit der positiven Klemme I der Versorgungsspannung U andererseits über einen Kondensator C3 mit der Basiselektrode des zusätzlichen Transistors T6 verbunden ist und dessen Emitterelektrode über einen weiteren ohmschen Widerstand R 7 mit der Emitterelektrode des Endstufentransistors 7"3 verbunden ist. Die sich aus dem Kapazitätswert des Kondensators und dem Widerstandswert des hochohmigen Widerstandes ergebende Zeitkonstante ist bevorzugt so gewählt, daß sie in der Größenordnung von Sekunden und Minuten liegt. Die auf diese Weise erhaltene Wechselspannungsgegenkopplung hat beispielsweise eine Grenzfrequenz fg von 0,75 · 10-² Hz und vermindert damit die Umlaufverstärkung des Regelkreises bei der kritischen Frequenz, ohne jedoch die hohe statische Regelsteilheit zu beeinträchtigen. Die hohe Regelsteilheit beruht einerseits auf der Verstärkung des Regeiverstärkers andererseits auf dem hohen Temperaturkoeffizienten des Kaltleiters K der etwa 25% pro ⁰C beträgt. Die Steilheit der Regelung ist so hoch, daß eine Temperaturänderung im Thermostateninneren bei einer Änderung der Umgebungstemperatur von 0⁰C bis 6O⁰C kleiner als 50 Milligrad bleibt. Dies entspricht einem Regelfaktor von 1200. Die Referenzspannungsquelie mit der der als Verstärker arbeitende dritte Transistor Γ5 angesteuert wird, besteht aus einer an die Klemmen 1, 2 der Versorgungsspannung U angeschlossenen Serienschaltung eines ohmschen Widerstandes RS und zweier in Durchlaßrichtung betriebenen Dioden DX, Dl. Der Transistor T5 liefert kollektorseitig einen Strom, der dem Spannungsabfall an R 1 und damit dem Heizstrom umgekehrt proportional ist. Der Kollektorarbeitswiderstand R 9 ist sehr hochohmig; sein Widerstandswert beträgt beispielsweise 2,2 ΜΩ und legt mit dem Kondensator C3, dessen Kapazitätswert bei 10 μΡ liegt, zusammen die untere Grenzfrequenz der Gegenkopplung mit fg = 0,75 · 10~² Hz fest. Der Gegenkopplungsgrad hängi von uci Bemessung des ufriiiierwidersiandeä r? 7 ab. Die untere Grenze für den Wert des Widerstandes R 7, hier liegt der größte Gegenkopplungsgrad vor, ist durch den Grenzfall des verschwindenden Heizstromes an der oberen Grenze des Umgebungstemperaturbereiches gegeben. Dabei darf der Transistor T5 noch nicht in Sättigung gehen. Bei einem Kollektorarbeitswiderstand R 9 von 2,2 ΜΩ und 24 V Versorgungsspannung U beträgt der Widerstandswert des Widerstandes R 7 etwa 100,1Ω. Der Gegenkopplungsgrad hängt außer von den angeführten Größen noch vom Innenwiderstand der Brückenschaltung ab. Nachdem aber, wie bereits beschrieben, der Innenwideratand der Brückenschaltung vom Abgleichzustand weitgehend unabhängig ist, erreicht man den Vorteil, daß damit auch der Gegenkopplungsgrad vom Abgleichszustand unabhängig ist. Demgegenüber kann bei einer Brückenschaltung nach Fig. I der Innenwiderstand der Brücke je nach Abgleichtempratur um den Faktor 4 schwanken, weswegen auch der Gegenkopplungsgrad des über der Kondensator Ci gegengekoppelten Regelverstärkers im gleichen Maße verändert würde. Durch die Verwendung einer Brückenschaltung nach der vorliegenden Erfindung, wie sie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt ist. wird dieser Nachteil vermieden und damil ein vom Abgleichszustand unabhängiges dynamische; Regelverhalten erzielt. Das Einschwingverhalten de: Thermostaten mit einem solchermaßen gegengekoppel ten Regelverstärker ist nahezu aperiodisch. Ferner isi ein Kondensator CA zwischen die Basiselektrode de; Transistors T2 und dem Anschluß 2 der Versorgungs spannung U sowie ein ohmscher Widerstand R Ii zwischen die Kollektorelektrode des zusätzliuier Transistors T6 und den Anschluß 1 der Versorgungs spannung U eingeschaltet, wodurch eine Unterdrük kung hochfrequenter Einstreuungen bzw. Schwingnei gungen erreicht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kontinuierlich regelnder Thermostat mit einer Brückenschaltung, welche einerseits einen Temperaturfühler und wenigstens einen Widerstand für die Vorgabe eines Temperatur-Sollwertes, andererseits in Serie und in Sperrichtung zur Versorgungsspannung geschaltete Diodenstrecken als Brückenzweige enthält, sowie mit zwei zueinander komplementären Transistoren zur Verstärkung der Spannung der quer zur Versorgungsspannung liegenden Meßdiagonale, von denen der erste Transistor mit seiner Basis-Emitter-Strecke in der Meßdiagonalen liegt und der zweite Transistor als Emitterfolger geschaltet ist, dessen Emitter mit einem Anschluß der Versorgungsspannung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (T6) mit seine* Emitter-Basis-Strecke in Serie zur Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors (T'!) in die Meßdiagonale (3—5) eingeschaltet und emitterseitig mit der Basis des ersten Transistors (Ti) verbunden ist

2. Kontinuierlich regelnder Thermostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Basiselektrode des zweiten Transistors (T6) und einen Diagonalpunkt der quer zur Versorgungsspannung liegenden Diagonale der Brückenschaltung (Zi, ΖΊ, Rx, K) ein weiterer ohmscher Widerstand (R 10) eingescha'.'ei ist

3. Kontinuierlich regelnder Thermostat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (Ti) ein pnu-Transistor und der zweite Transistor (T6) ein npn-Ti ansistor ist und daß die Emitterelektrode des zweiten Transistors (TS) über den ohmschen Widerstand (R 11, RS) mit dem negativen Pol der Versorgungsspannung verbunden ist